劉韜 周一鳴 王景泉 梁巍
(北京空間科技信息研究所,北京 100086)
波帶片(Zone Plate)衍射成像技術是一種重要的對地觀測技術,是目前國外的研究熱點。波帶片衍射成像系統具有大口徑、高分辨率、結構輕量化、空間可展開、公差要求低、易復制等特點,不但可以節約發射成本,還能夠顯著降低制造成本。波帶片衍射成像技術在衛星應用中具有重大潛力。[1-6]
為了滿足高軌道衛星高分辨率對地觀測的要求,國外從20世紀末開始研發新型光學成像技術,包括空間分塊可展開技術、光學干涉合成孔徑成像技術、稀疏孔徑成像技術和波帶片衍射成像技術??臻g分塊可展開技術需要主鏡輕量化、嚴格的鏡片面形控制、精確的展開結構和波前傳感與控制,這些技術難題致使其成本高昂。光學干涉合成孔徑成像技術正是由于各子孔徑的同相位要求,使得空間機械結構調整、系統穩定性和大氣擾動等因素引起的波動總效應,需控制在光波長的數量級內。具體地說,該技術一般是利用若干個衛星編隊飛行,以實現長基線干涉,從而達到高分辨率的要求,但其衛星編隊飛行的控制精度要求極高,工程實現難度大。同時,稀疏孔徑使用分離的光學系統,是以犧牲光通量為代價實現高分辨率,在技術上還存在一系列尚待解決的問題。另一方面,分塊可展開和稀疏孔徑成像系統自身的重量仍然會限制口徑的擴大,因此研究進展比較緩慢。波帶片衍射成像技術為解決高軌道高分辨率對地觀測問題提供了一種新思路,它具有可實現大口徑、所用材料面密度極輕、面形控制要求低和生產工藝相對較容易等特點。
國外在低軌道高分辨率對地觀測衛星小型化上也進行了一系列探索,比如使用小相對孔徑的光學系統和TDICCD 器件等。而波帶片衍射成像技術提供了另一種實現該目標的途徑。
菲涅爾波帶片和光子篩是典型的、可用于對地觀測的衍射光學器件。本文介紹了菲涅爾波帶片技術的概念和其不足,重點闡述了光子篩成像技術的發展和技術演進,并對波帶片衍射成像技術在國外高軌和低軌衛星中的應用進行了概括,可為我國未來對地觀測成像技術發展提供參考。
衍射成像光學系統一般由物鏡和目鏡系統組成,是將衍射光學元件與傳統的折/反射光學元件結合起來形成的衍/折/反射混合型光學系統,是具有微結構的新一代光學系統。波帶片成像系統中的物鏡為衍射透鏡,目鏡系統一般包括一個中繼光學系統和色差校正系統。其工作原理是首先通過衍射透鏡匯聚光線,再由位于其焦點處的中繼光學系統進行色差校正以增大帶寬,最后成像到焦平面上?,F階段國外在航天領域中,基于波帶片衍射原理制造成像系統的技術有兩種:一是菲涅爾波帶片技術,二是光子篩(Photon Sieve,PS)技術。PS技術是由菲涅爾波帶片技術發展而來,PS由大量分布在波帶片環帶上的微孔組成。PS可以在波帶片的基礎上進一步提高分辨率,因此成為近年衍射成像技術的研究熱點。
菲涅爾波帶片一般是由一系列透明和不透明的同心圓環組成,它能使點光源成實像,因此可以認為它的作用和一塊會聚透鏡相當,可以作為成像器件使用。如果作為成像器件,分辨率是一個重要的指標。波帶片最外環的寬度決定了它的分辨率。由于制作工藝的局限性,無法無限制地減小波帶片的最外環寬度。另外,由于波帶片衍射像中的旁瓣效應,降低了成像質量。而PS比菲涅爾波帶片在分辨率上更具優勢。
光子篩是近10年發展起來的一種新型的衍射光學成像器件。它首先由德國Kiel大學為提高軟X 射線的聚焦能力而提出[1]。每一個微孔的衍射光在PS后的相應位置同相相加,就像許多同相的小口徑陣列。用微孔環帶陣列替代菲涅爾波片中的透明環帶,大大提高了PS聚焦光束的尖銳性,使得光學成像質量得到極大提高。PS是由一塊薄片組成,只需在外圍使用支撐結構,因而使PS 的實用性大大提高。國外現有研究結果表明,微小孔的直徑在一定范圍內,可以大于所在的菲涅爾環帶寬度,而成像質量不受影響[2],這一特點降低了對生產工藝的要求。
光子篩具有體積小、重量輕、光譜范圍寬、設計靈活、分辨率高、制成陣列容易等優點。光譜范圍覆蓋了傳統的折射或反射光學器件難以實現的光譜區域(包括可見光、紅外、軟X 射線和極紫外(EUV))。在軟X 射線和EUV 波段,各種材料的折射率均接近或者等于l,這就導致了常規的通過折射聚焦成像的光學元件將無法正常使用[3]。極紫外線望遠鏡在空間科學研究中有重要的價值,這就使PS在這一領域有獨特的優勢。在成像方面,PS空間分辨率可以達到比其特征尺寸更小的超分辨水平,其輕質的特性適合制造大口徑望遠鏡,因此在航天領域有著廣泛的應用前景。PS 的發展從鍍鉻石英基板PS發展到薄膜PS,原因是薄膜PS更適合于大口徑成像系統,并且質量更輕。鍍鉻石英基板PS 又可分為傳統PS和負孔PS。
2.2.1 鍍鉻石英基板光子篩的發展
2005年,美國空軍學院(AFA)報道了利用PS制作空間望遠鏡的方法,具體數據見表1[2,4-6]。該方法中,分辨率測試統一使用基于MIL-STD-150A標準[7]的分辨率測試靶標,分辨率單位為lp/mm,即線對數/毫米。由于PS是衍射元件,所以帶有色散效應、帶寬較窄。

表1 AFA鍍鉻石英基板光子篩技術發展Table 1 Technology development of chrome-coated photon sieve on Quartz substrate in AFA
AFA 最初研制的設備只有0.06nm 的帶寬,為了克服這一問題,使用了一個色散修正元件(DOE),將帶寬增大到了50nm(如圖1)。從而使整個PS系統工作波段為507~557nm。

圖1 光子篩系統成像原理圖Fig.1 Imaging theory diagram of PS system
此外,AFA 還研制了微孔直徑從10~279μm變化的PS,雖然分辨率下降到154lp/mm,但是當工作波長擴展到632.9nm 時,也獲得了比較理想的效果。
對于菲涅爾波帶片,每個透光波帶對于焦點處的場的貢獻是正的。同理,上述傳統PS 的微孔中心都必須集中在菲涅爾波帶片的透光環帶內,每個處于通光環帶的透光微孔對于焦點處的場的貢獻也是正的。透光微孔的直徑可以增大到所在環帶寬度的1.514倍這一最優值,這就減輕了制造的難度。2006年,AFA 制作了含有500 萬個“負孔”(Antihole)的PS。該設備工作波段為507~557nm。這些“負孔”分布在每個偶數階菲涅爾不透光波帶上,直徑大小介于18~331μm 之間,微孔的直徑為所在環帶寬度的3.514倍。這種設計打破了傳統光子篩的設計方法,使分辨率得到了大幅的提升?!柏摽住盤S的最小微孔尺寸比傳統光子篩大,總孔數也下降了一半,因此進一步降低了加工難度和成本。
與此同時,我國也開展了PS的研發工作。2006年,中科院光電技術研究所在鍍鉻石英基板上制作了微米孔陣列振幅型光子篩。口徑30 mm,焦距175mm,工作波長632.8nm,最小微孔尺寸5.6μm,衍射環數為1 000,總微孔數為1 000萬[8]。2010年,中科院微電子研究所提出了復合型光子篩的研制方法,將普通光子篩半徑的中間1/3部分改用波帶環替代,并在鍍鉻石英基板上制作了口徑17.75mm 的光子篩[3]。
2.2.2 薄膜型光子篩
2006年后,AFA開始研制薄膜型光子篩[9],先后研制并測試了重氮基(Diazo)薄膜PS、電鍍鎳薄膜PS和CP1薄膜PS(CP1材料全稱為LaRCTM-CP1,由美國ManTech SRS技術公司研制),這三類PS都是根據“負孔”PS的理論設計的。文獻[9]中沒有提及孔的具體參數,只給出了Diazo薄膜PS 的分辨率為161lp/mm,對這些薄膜PS的測試結果表明,其他兩種薄膜PS的分辨率都優于Diazo薄膜PS。
此外,CP1薄膜韌性好、可卷曲,并且質量很輕,這種薄膜還有近零熱膨脹系數(CTE),使得CP1薄膜非常適合于航天應用。[10]
在制備工藝上,薄膜PS具有易復制的特點,可大大提高成像系統裝備衛星的速度和規模,使衛星星座和編隊飛行的成本大大降低。本節簡要介紹AFA 制作薄膜光子篩望遠鏡的流程[9]。首先制作鍍鉻石英基板光子篩模板,其次在10μm 厚的CP1薄膜上蒸鍍一層200nm 厚的鋁,然后在鋁上涂2μm厚的AZ1518型光刻膠。使用光子篩模板,并采用紫外線光刻法,制作光子篩圖形,使原光子篩圖形轉移到光刻膠上,然后去除阻擋層,再去除鋁層,最后剝離光刻膠便制成了CP1薄膜PS。流程如圖2所示。利用一塊模板就可以批量生產薄膜PS,這與傳統的折反式主鏡研磨生產方式相比,縮短了研制時間。

圖2 薄膜光子篩制作工藝圖Fig.2 Fabrication technique flowchart of membrane PS
除此之外,由于采用衍射方式,可以降低反射式光學系統中對公差的嚴格要求,從而降低了研制難度和成本。PS薄膜不需要被拉伸成一個光學平面,它的表面變形量h的計算公式為[9]

式中:f是光子篩的焦距;D是口徑;φ是相位差。
對于透射波前相位差λ/10,一個相對口徑為f/2的光子篩薄膜,可以容許的變形量約為3λ。因此,傳統反射鏡要比PS的公差要求嚴格60倍。重量輕和加工要求較低是發展PS技術的主要原因。
AFA 當前還計劃使用Nexolve 公司提供的Novastrat型聚酰亞胺薄膜制作光子篩,這種材料已經通過了飛行測試,根據特定的需求可以通過化學的方法,任意控制該材料的熱膨脹系數。盡管表面變形的要求低于傳統光學系統,但是由于光線要透過薄膜基底,所以仍然要保持薄膜厚度的高度一致性。Nexolve公司已經證明了該材料的厚度控制可以滿足需求[9]。
天基望遠鏡成像技術在鏡面面密度的控制上取得了一定進展,比如“哈勃”空間望遠鏡的面密度為180kg/m2,約25 年后,詹姆斯·韋伯空間望遠鏡(JWST)的面密度減小到25kg/m2。而薄膜PS面密度更輕,僅為0.25kg/m2。[10]
綜上所述,PS技術的優點是:①可以使用薄膜材料,從而使光學系統質量輕很多,大幅降低了對衛星平臺承載能力的要求;②由于物鏡本身為輕質、平面形狀,可以在發射時進行折疊,入軌后再展開,可避免成像系統體積過大而給發射帶來困難,便于增大光學系統口徑;③易復制的特點使制造時間大幅縮短,制作工藝也相對簡單。
目前,國外諸多低地球軌道(LEO)對地觀測衛星的空間分辨率已經達到亞米級,如“世界觀測”(Worldview)、“地球之眼”(Geoeye)、鎖眼-12(KH-12)等。盡管這些現役衛星系統的空間分辨率已經很高,但是,由于它們運行在LEO 上,因此存在幅寬較窄、時間分辨率低等問題。為解決這些問題,最直接的方法就是提升衛星的軌道高度。高軌道對地觀測衛星與LEO衛星相比,具有觀測幅寬寬、可以穩定持續監視等優點,是未來對地觀測衛星發展的一個熱點方向。但是,傳統折/反式光學設計方法已經不能滿足高軌道衛星高分辨率對地觀測的要求。因為在地球靜止軌道(GEO)上實現高分辨率對地觀測,傳統光學系統的口徑必須大幅擴大,相應的衛星質量將大大超過現有運載火箭的承載能力,同時,大口徑主鏡也無法裝入火箭整流罩內。而衍射成像系統利用薄膜材料作主鏡,可以極大地降低發射重量,并且使用可以折疊的材料,在發射時收攏,入軌后再展開。
利用波帶片衍射成像技術可以制造大口徑望遠鏡,因此該技術具有大幅度提高高軌道對地觀測衛星分辨率的潛力。波帶片衍射成像技術在高軌衛星中的應用方式有兩種:一是兩衛星編隊方式;二是單衛星可展開方式。
3.1.1 兩衛星編隊方式
美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室(LLNL)于1998年提出了一個空間衍射望遠鏡計劃——“眼鏡”(Eyeglass)計劃[11],該方案由兩個衛星(“物鏡”衛星和“目鏡”衛星)一起構成一個合作望遠鏡,“物鏡”衛星計劃由一個口徑20m 的衍射透鏡構成,負責聚集光線并將其聚焦于與其相距很遠的“目鏡”衛星所在位置(如圖3)。

圖3 “眼鏡”計劃的衍射成像望遠鏡和5m 口徑衍射望遠鏡的樣機Fig.3 Schematic diagram of diffractive imaging telescope for“Eyeglass”project and 5mdiameter demonstration telescope based on diffractive optics
該衍射望遠鏡的工作原理是菲涅爾波帶片原理。設計衍射望遠鏡需要面臨的挑戰是衍射光學器件焦距反比于波長,其色散特性會把不同顏色的光會聚到不同的位置?;谶@一原因,衍射光學器件一般用于單色光成像,比如激光。為了實現多色光成像,LLNL使用Schupmann消色差原理[12]來克服這一問題。也就是“目鏡”衛星帶有色差校正裝置。
該實驗室研制了口徑5m 的樣機,研究了大口徑平面薄膜衍射物鏡的折疊和展開方法。組裝成功的口徑為5m 的衍射透鏡,焦距為250m,相對孔徑為f/50,由72個被切割成精確的矩形和三角形的透鏡板組成。當一塊透鏡板被組裝到適當的位置時,通過粘合到可折疊金屬框上的方法和相鄰的透鏡板接合。接縫的設計承受力遠遠大于在太空部署時所要承受的力。
樣機的主鏡所使用的材料是50μm 厚的商用薄玻璃(如圖4),材料柔韌性好,可以折疊后裝入現有的運載火箭內。用這種材料制成的9m 主鏡可以裝入德爾他-3型火箭的整流罩內,而20m 主鏡可以裝入德爾他-4型火箭的整流罩內,并且德爾他-4型火箭可以把20m 衍射光學望遠鏡運送到GEO 或者更高的地球牽引軌道(Earth Trailing Orbit)。這種望遠鏡理論上可以獲得比“哈勃”空間望遠鏡高8倍的分辨率和64倍的聚光能力。

圖4 空間衍射薄膜望遠鏡主鏡材料Fig.4 Primary mirror material for space diffractive membrane telescope
3.1.2 單衛星可展開方案
2010年10月,美國國防預先研究計劃局(DARPA)公布了“莫爾紋”(MOIRE)項目的10-51號大范圍機構通告(BAA)[13]。該通告要求所有參加者的設計必須具有可以達到20 m 口徑系統的潛力,提供連續成像服務,分辨率達到國家圖像解析度分級標準(NIIRS)[14]的3.5+級,即分辨率優于2.5m,成像時間快于1s,視場大于10km×10km,覆蓋大于10 000km×10 000km。
MOIRE項目的具體內容是開發在GEO 上使用的大型衍射光學薄膜成像系統、相關可展開結構和支撐結構。DARPA 稱衍射薄膜光學的發展具有大幅降低GEO 軌道衛星成像成本的潛力。圖5為MOIRE項目的示意圖,從圖中推測,望遠鏡物鏡是光子篩。

圖5 光子篩在DARPA MOIRE項目中的應用示意圖Fig.5 Schematic diagram of PS applied in DARPA’s MOIRE project
MOIRE項目的設計方案需要解決以下重要的技術問題:①為GEO 軌道成像系統提供大口徑、低成本、輕量化、可展開的衍射薄膜光學系統;②具有近實時成像穩定性和高圖像定位精度;③成像系統的設計需增加光譜的帶寬;④解決在GEO 軌道上大型結構的穩定性和動力學問題。

圖6 LLNL制造的0.8m 衍射薄膜Fig.6 0.8mdiameter diffractive membrane element fabricated by LLNL
LLNL光子科學與應用實驗室為MOIRE 項目研發的第一個衍射薄膜光學器件(如圖6),于2011年7月25日完成。這種質量很輕的、空間可展開的薄片型主鏡光學器件是與美國鮑爾宇航公司(Ball)和Nexsolve公司合作的。該器件的口徑為80cm,厚度為18μm,衍射效率達到了30%[15]。在隨后MOIRE項目的初期驗證階段,Ball公司將對這個器 件 進 行 測 試。2011 年9 月2 日,DARPA 將MOIRE項目的研發合同授予了Ball公司,合同價值為3 700萬美元[16],同年12月,該公司通過了初期設計評審。
美國空軍學院將于2014 年發射獵鷹衛星-7(FalconSat-7),這顆衛星采用立方體衛星(3U CubeSat)平臺,3U CubeSat的尺寸約為30cm×10cm×10cm,重量不超過4kg。該星搭載口徑為0.2m、焦距為1 m 的光子篩望遠鏡,工作波長為656.28nm。衛星計劃發射到450km 高的低地球軌道,對地觀測分辨率為1.8m[10]。該衛星的一半體積就可以裝載整個光子篩成像光學系統和其展開機構。PS在空間分階段展開如圖7所示。

圖7 光子篩望遠鏡分階段展開示意圖Fig.7 Deployment sequence of PS telescope
光子篩的展開系統分為兩個主要部件,即支撐結構和展開結構。支撐結構為薄膜提供了穩定性和剛度的保障,同時展開結構以可控的方式釋放支撐結構,并且提供足夠的緊固力以保持位置精確。整個展開過程必須以不破壞PS的可控方式進行,PS展開率為6.8∶1。
FalconSat-7有效載荷包含光子篩薄膜和6 個金剛石系索,它們連接著“立方星”平臺,形成一個展開后0.43m 長的6足型結構。展開結構利用帶有3個彈簧連接器的伸縮器拉伸支撐結構,使PS從收攏狀態展開。伸縮器負責承重,使薄膜始終處于拉緊狀態。
薄膜在收攏時必須避免出現永久性折痕。AFA 計劃在發射FalconSat-7時,使用兩個共心的保護器,像“咖啡濾網”那樣折疊光子篩薄膜,并在中心留一個孔,使薄膜不在中心發生褶皺(如圖8)。

圖8 光子篩望遠鏡收攏狀態示意圖Fig.8 PS in stowed state
NASA 戈達德航天飛行中心(GSFC)的太陽物理實驗室和AFA 合作,共同設計了光子篩的機械展開機構,并對PS 進行了陸基成像驗證。NASA試驗PS的目標是利用基于衍射的光子篩望遠鏡發展空間高分辨率成像技術,驗證平面薄膜結構是否可以順利地展開,并且展開面積大于航天器本身。據NASA 官 網 報 道[17],2011年8 月,PS 望 遠 鏡 完成了陸基的成像驗證工作,獲得了太陽的圖像,NASA 稱“這次試驗對以甚高分辨率(0.01″)成像為目標的衍射光學來說是十分重要的一步”。
波帶片衍射成像技術可以使“低軌成像衛星小型化”和“高軌成像衛星高分化”,前者力求在不降低高分辨率成像能力的前提下,實現成像組件和衛星系統的結構簡化,以降低大規模組網所需要的成本和工程難度;后者力求在不增加衛星規模的前提下,大幅提升成像衛星性能,實現利用少許幾顆衛星持續監視廣闊區域的能力。
2000年我國發射的質量為50kg的清華一號小衛星的分辨率只有40 m,2005年發射的質量為166.4kg的北京一號小衛星分辨率達到了4m,而質量為4kg的美國FalconSAT-7衛星分辨率卻可達到1.8m,這是衍射成像技術推動“低軌成像衛星小型化”的一個實例。同時,也意味著在波帶片衍射成像技術中光子篩技術最先進入在軌驗證階段。光子篩成像技術應用于小衛星具有低成本、短生產周期、易部署等許多優點。
目前,世界各國都沒有地球靜止軌道高分辨率光學對地觀測衛星,DARPA 的MOIRE 項目正是瞄準這一點。從最初LLNL 的衍射薄膜透鏡的概念設計,到其支持的衍射薄膜成像系統已經進入第二期研發階段。這說明國外波帶片衍射成像技術正在一步步地使“高軌成像衛星高分化”的目標得以實現。
波帶片衍射成像技術具有以下優點,因此極具解決上述兩個目標的潛力。
(1)波帶片衍射成像技術的用途廣,既可應用在低軌小衛星上,也可應用在地球靜止軌道的大型衛星上。
(2)衍射器件具有易復制的特點,可利用模板批量生產,避免了傳統鏡片先研磨后鍍膜的生產工藝,可極大地降低生產成本,并提高生產速度,使小衛星組成星座的成本大大降低。
(3)大型衛星系統中的物鏡雖然口徑很大,但可以基于薄膜工藝制成,有效減少成像系統重量,并可以通過發射時折疊、入軌后展開的工作模式,減小對運載器的容積要求。
(4)基于衍射成像原理,可以降低光學系統面形控制的要求。
由于光子篩薄膜材料及支撐結構穩定性的先天局限性,利用這種技術的低軌和高軌對地觀測衛星要取得可與目前常規折反射光學系統相比擬的高分辨率,還有許多難以克服的技術難題,這正是DARPA 和AFA 進行攻關研究和試驗的主要原因。無論是在地球靜止軌道上實現大于20m 口徑的衍射成像主鏡,還是在低地球軌道上利用小口徑衍射光學器件實現高分辨率對地觀測,系統都面臨以下技術問題。
(1)波帶片衍射成像光學系統的設計需要增加成像系統的帶寬;AFA 盡管使用了色散修正元件把帶寬擴大到了50nm,這一波段寬度仍然無法滿足寬光譜成像的需求。
(2)衍射光學薄膜的材料、設計和加工技術;衍射望遠鏡的空間運行環境決定了薄膜材料的選擇,必須使用柔韌性好的能夠折疊的材料,材料需具有近零熱膨脹系數,避免變化的溫度環境造成的圖像失真問題。
(3)衍射光學薄膜的折疊展開方法問題,即薄膜在收攏時避免出現永久性折痕。
(4)保證在軌衍射望遠鏡系統結構的高穩定性。
(5)衍射光學薄膜透鏡的面形保持問題是系統面臨的關鍵問題,但是衍射光學器件面形精度要求要遠遠低于傳統光學器件的要求。
從最初LLNL的衍射薄膜透鏡的概念設計,到AFA 的FalconSat-7薄膜光子篩望遠鏡在軌技術驗證,再到目前DARPA 支持的衍射薄膜成像系統瞄準GEO 高分辨率成像,表現出美國對波帶片衍射成像技術的關注度和投入不斷提升。如果Falcon-Sat-7成功驗證了光子篩的空間可靠性和性能,那么波帶片衍射成像技術將首先使低軌道衛星在保持高分辨率的前提下實現小型化,甚至超小型化。之后美國將使用該技術發展大口徑的高軌成像衛星,最終實現天基的高分辨率持續監視。
可以看到,在以光子篩為代表的波帶片衍射成像技術上,我國與國外研究尚有一定差距。GEO 高分辨率成像對光學系統及技術的創新有著強烈的需求,因此應及早開展波帶片衍射成像技術及相關支撐技術的概念研究。建議我國加大波帶片衍射成像技術的研發力度,主要包括以下幾點內容:
(1)使用新型材料研制衍射成像器件,材料在空間的折疊和展開中不能被破壞,材料熱膨脹系數需滿足空間運行環境的需求,材料還需解決在空間運行的耐用性問題。
(2)提高波帶片衍射成像系統的口徑、衍射效率、成像分辨率、對比度和帶寬,衍射透鏡的面形控制需滿足高分辨率成像的需求。
(3)開發波帶片衍射成像系統的精密展開機械結構。
建議在完成波帶片衍射成像系統的地面試驗后,在小型試驗衛星或空間實驗室上進行飛行驗證,推動波帶片衍射成像技術的成熟和工程化,為未來我國掌握高軌高分辨率持續監視能力和低軌高分辨率衛星小型化提供創新技術保障。
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